2. 黑电平校正：从暗电流到硬件实现

黑电平校正，圈里人常叫它“减黑帧”。听起来简单，就是把每个像素减掉一个固定值。但你要是真这么干，八成会翻车。

我刚开始做ISP的时候，就吃过这个亏。当时觉得黑电平嘛，不就是个offset吗？结果调出来的图像暗部偏紫，亮部偏绿，折腾了两天才发现是黑电平没处理好。嗯，这玩意儿远比你想象的要复杂。

2.1 黑电平是怎么来的？

先说说为什么会有黑电平。理论上，你把镜头盖盖上，传感器应该输出0。但现实不是这样的——传感器会输出一个非零值。为什么？

• 暗电流：半导体器件在无光照时，热激发产生的电子-空穴对。温度每升高6-8°C，暗电流翻一倍。我在实验室测过，60°C环境下暗电流能比室温高出一个数量级。
• 读出噪声：像素电荷转换成电压、再经过ADC量化，这个过程会引入一个固定的偏置。说白了，就是电路自己“手抖”了一下。
• ADC偏置：模数转换器为了保证信号不削波，会故意加一个偏置电压。这个值通常是几十个DN（Digital Number）。

2.2 暗电流的影响有多大？

暗电流最烦人的地方，是它不均匀。我见过一个12-bit的传感器，中心区域暗电流是32 DN，边缘能到48 DN。这种差异在暗光环境下特别明显——拍出来的照片四角发亮，像漏光一样。

温度	暗电流（e-/s）	黑电平偏移（DN）	影响
25°C	10	32	可忽略
45°C	40	48	暗部偏色
60°C	120	72	动态范围损失

还有一个坑：暗电流跟像素大小有关。大像素暗电流大，小像素反而小。但小像素信噪比差，减完黑电平后噪声更明显。这就是为什么高端手机传感器像素越做越大，但黑电平校正反而更难做。

2.3 全局黑电平校正

最简单的做法：从整帧图像中减去一个常数。这个常数怎么来？

• OB（Optical Black）行/列：传感器边缘有被遮挡的像素，它们输出的值就是黑电平参考。我习惯取OB行的中位数，不用均值——均值对异常点太敏感。
• 暗帧法：盖上镜头盖拍一帧，存下来当参考。但这个方法有个问题：暗帧跟实际帧的噪声不相关，减完反而会引入额外噪声。

// 全局黑电平校正 - 伪代码
uint16_t black_level = get_ob_median(sensor, ob_rows);
for (each pixel in frame) {
    pixel = (pixel > black_level) ? (pixel - black_level) : 0;
}

全局校正的优点是简单、省资源。但缺点也很明显——它假设整个传感器暗电流是均匀的。实际上，传感器边缘的暗电流通常比中心高，尤其是大靶面传感器。这时候就需要局部校正了。

2.4 局部黑电平校正

局部校正的思路：每个像素或每个区域用不同的黑电平值。常见做法有两种：

方法一：2D LUT校正

把传感器分成M×N个网格，每个网格存一个黑电平值。校正时做双线性插值。我做过一个项目，把1080p的传感器分成16×12的网格，效果不错，但内存开销大了点——要存192个16-bit值。

// 2D LUT校正 - 伪代码
#define GRID_X 16
#define GRID_Y 12

uint16_t black_lut[GRID_Y][GRID_X];

uint16_t get_local_black(int x, int y) {
    // 双线性插值
    int gx = x * GRID_X / SENSOR_WIDTH;
    int gy = y * GRID_Y / SENSOR_HEIGHT;
    // ... 插值计算
    return interpolated_value;
}

for (each pixel at (x, y)) {
    uint16_t local_bl = get_local_black(x, y);
    pixel = (pixel > local_bl) ? (pixel - local_bl) : 0;
}

方法二：逐行/逐列校正

利用OB行和OB列的信息，分别计算每行和每列的黑电平偏移。这种方法对卷帘快门传感器特别有效——因为卷帘快门逐行读出，每行的暗电流状态不一样。

方法	精度	内存开销	计算量	适用场景
全局校正	低	几乎为0	极低	低端传感器、温度稳定环境
2D LUT	高	中等	中等	大靶面、高精度应用
逐行/逐列	中高	低	低	卷帘快门、视频

2.5 硬件实现考量

在FPGA或ASIC上做黑电平校正，有几个地方要特别注意：

流水线延迟

黑电平校正通常在ISP流水线的第一级。我建议把它放在RAW域处理的最前面，在去马赛克之前。因为黑电平没减干净，后面的白平衡、颜色校正都会出错。

位宽管理

传感器输出通常是10-bit或12-bit。减完黑电平后，有效位宽会变小。比如12-bit传感器，黑电平是64，那有效信号范围就是0-4032。这时候要不要保留12-bit输出？我个人习惯是保留，因为后面的增益处理需要这个动态范围。

实时更新

黑电平不是一成不变的。我建议每帧都重新计算OB行的中位数，然后更新校正参数。特别是视频模式下，传感器温度会逐渐升高，黑电平也在漂。不更新的话，拍几分钟后画面就偏色了。

边界处理

传感器边缘的OB像素不参与成像，但校正时要用到它们的数据。我见过一个方案，把OB行和有效像素行分开处理，用两个FIFO分别缓存。这样OB数据不会污染有效数据，但硬件资源多了一倍。

最后说一句：黑电平校正看起来是ISP里最不起眼的模块，但它的质量直接影响后面所有处理。我见过太多项目，白平衡调了半天调不好，最后发现是黑电平没校好。所以，别小看这个“减法”。